電子情報通信学会に見る電子通信エネルギーの技術動向 EHS&S 研究センター上級研究員兼オペレーション技術部長　大津智 Keyword：電気通信，エネルギーシステム，電力システム，電力変換，蓄電池 SPC）と連携して研究会を開催することで幅広い議論が１．はじめになされている。電子情報通信学会は，1911年（明治44年）５月に当時の逓信省電気通信試験所第２部の「第２部研究会」に始まり，1917年（大正６年）５月に電信電話の学術技芸の本稿では，EE 研究会を中心に技術動向を報告する。２．電子通信エネルギー技術分野研究，知識の交流および事業振興を図ることを目的とし電子通信エネルギーシステムとして重要な基本特性は，て「電信電話学会」が設立された。その後，関連の学問供給電力の精度と安定性である。それに加えて，体積・および技術の発展と取り扱う対象分野の拡大に合わせて，重量，効率，信頼性，価格が性能指数として挙げられる。 1）「電子通信学会」「電子情報通信学会」に改称された。 3）応用別にその優先度が異なり，たとえば衛星搭載用電源電子機器は集積化技術の発展により小形化，低コストシステムでは体積・重量，効率，信頼性が優先されるな化が急速に進んだが，電子機器の電源部は集積化手法がど，用途によって４項目のトレードオフでシステムが設適用できず，システムに占める電源部の割合が高まった。計されている（図１）。高周波スイッチング技術は電源の小形・軽量化を図るた効率めに有効であるが，同時に雑音発生など新たな課題が生損失・冷却制と電力コスト低減のため，高効率化も課題であった。また，情報通信システムは社会の重要なインフラであり，電源に対して高い信頼性が要求されるようになった。このような技術的課題を把握するために，1980年に電子通信用電源技術調査専門委員会が発足し，1984年４月に電子通信用電源技術研究専門委員会，1997年４月に現在の信頼性ライフサイクルコストエネルギー費用まれた。24時間連続で動作する情報通信用電源は発熱抑実装技術・ノイズ複合化・集積化冗長方式保全性ディレーティング複合化・集積化ライフサイクルコスト冗長方式高周波化冷却体積・重量複合化集積化コスト図１　電源技術と各性能の関連図電子通信エネルギー技術研究専門委員会（EE 研究会）に改称され，電子通信エネルギー分野の議論がなされて 2）近年，通信装置の消費電力密度の増加や動作電圧の低いる。電圧化が進み，これに対応できる給電方式が必要とされ EE 研究会以外でも，回路とシステム研究会（CAS），る。一方，地球温暖化や電力逼迫などの社会環境の変化コンピュータシステム研究会（CPSY），インターネッに対応するため，省エネルギー，低炭素化，エネルギートアーキテクチャ研究会（IA），情報通信マネジメン有効活用，再生可能エネルギー利用に向けた研究開発ト研究会（ICM），情報ネットワーク研究会（IN），非が積極的に行われている。また，新たな給電方式として，線形問題研究会（NLP），ネットワークシステム研究会電源ケーブルを使用せず，自由に電力を伝送するワイヤ（NS）などでは情報通信システムやデータセンターの低レス給電の研究開発が進められている。消費電力化の観点から ICT 機器と空調機器の連携手法，これらを実現するために，EE 研究会では下記のように電源を含む情報通信システムの構成法や制御手法などが部品からシステムまで幅広い技術領域が扱われている。議論されている。さらに，ICT をベースとしたスマート１）エネルギーシステムグリッドについては，ICT スマートグリッド（ICT-SG）太陽光発電，燃料電池発電，風力発電，エネルギー伝技術研究会で扱われている。また，研究分野で関連の深送・供給システム，省エネルギーシステム，超伝導技術，い電子情報通信学会の無線電力伝送研究会（WPT），電熱利用技術，水素エネルギー利用技術。子・部品材料研究会（CMP）や電気学会の家電・民生２）電源システム技術委員会（IEE-HCA），半導体電力変換研究会（IEE- 電力供給システム，無停電電源システム，ワイヤレス 30　年報　NTTファシリティーズ総研レポート　No. 25 2014年6月 4）給電，小形化・高密度化・集積化，実装・冷却技術，計風力発電 ∼ − 太陽光発電測・解析・シミュレーション，信頼性，EMC，新しい産業用・家電用電源。３）電力変換装置 DC-DC コンバータ，整流器，インバータ，アクティブフィルタ，ソフトスイッチング，新しい電力変換回路技術・制御技術。 ∼ 商用電源４）電力用部品双方向 ∼ − コンバータ半導体デバイス，磁性デバイス，大容量キャパシタ，圧電デバイス，マイクロエレクトロニクス応用技術。５）電池 − ∼ 商用連系点 − ∼ − − − − 交流負荷直流負荷蓄電池図３　マイクログリッドのシステム構成図高エネルギー密度化，長寿命化，高信頼化，保守・管向コンバータを用いた商用連系点の電力制御による自立理技術。モード，系統連系モード，停電時などのバックアップモ電子情報通信学会が主催する総合大会やソサイエティードの運用およびその効果の評価結果が報告されている。大会では，旬の話題がシンポジウムとして取り上げられ無線基地局用システムでは，平常時の商用電力使用量る。2000年前半までは，電力変換装置の小形化，低損失削減と停電時の長時間運用を可能とするために，商用電化を実現するための電力変換方式や回路構成のテーマが源を整流した直流電源，太陽光発電，蓄電池，直流動作中心であった。2000年後半になると，ICT 社会や低炭素の通信装置を直流で統合するシステムが検討され，蓄社会に対して電子通信エネルギー技術がどのように貢献電池の充放電制御による太陽光発電の自活率向上が報告できるかなど，電力変換装置から電源システムのテーマされている。にうつった。さらに近年では，自然エネルギー活用やスまた，長期間の停電に対応するために，蓄電池およびマートグリッドなど省エネ・蓄エネ・創エネと地域エネ燃料電池（固体高分子型）と燃料タンクが一体となった 4） 5） 6） 7）ルギーシステムのテーマへと広がっている。複数の燃料電池システムで，燃料消費を均等にするため 2011年度から2013年度の３年間に，EE 研究会で報告の燃料電池出力電力のバランス手法が報告されている。された内容の分類を図２に示す。通信機械室で消費される電力は，ICT 機器自体で消費以下，技術領域ごとに最近のトピックを紹介する。される電力以外に，これらを冷却するための空調装置用 8）電力が大きい（全体の約30％）ことから，冷却効率を高 2％ 8％電力変換装置電源システムエネルギーシステム電池電力用部品 15％ 49％ 26％全体164件図２　EE 研究会への報告状況３．エネルギーシステムめて空調装置用電力を低減する技術も重要である。このため，通信機械室および通信装置へ気流の適正化方法が 9）提案され，効果について報告されている。４．電源システム給電システムでは，高電力密度の ICT 機器への給電に対応するため，給電電圧を高め，給電電流を低減することで，給電ケーブルの細径化や高い給電効率が得られる高電圧直流給電（HVDC）の研究開発が進められていエネルギーシステムでは，近年は地球環境保護に向ける。給電装置自体の開発に加えて，導入の普及拡大のたて，再生可能エネルギーである太陽光発電や燃料電池なめには，規格化が重要である。そこで，電圧規格の他に，どの創エネ，リチウムイオン電池や電気自動車などの蓄保護方式（過電流，過電圧，地絡・感電），アーク対策，エネを用いたシステムが多く扱われている。さらに，東接地方式などを規定するための検討が行われている。日本大震災の広域かつ長時間停電の発生や電力需要の逼 ICT 装置は LSI の高集積化に伴い，駆動電圧が低下迫による計画停電などの経験を通じて，分散電源に関すし，1V 以下で動作する負荷が出始めている。従来は図る研究が盛んに行われている。４（A）のように，整流装置で直流に変換された電力は分散型電源を含めた地域エネルギー供給システムであ DC-DC コンバータで12V，5V や3.3V などの電圧に変換るマイクログリッドでは，刻々と変化する電力需要に対して負荷に供給していた。低駆動電圧化に対応し，図４応した需給制御が必要となる。報告例のシステム構成図（B）のように負荷の直近に DC-DC コンバータ（POL: を図３に示す。電力コスト削減，蓄電池寿命維持を目的として，双方 10） point of load）を配置することで，DC-DC コンバータと負荷間の配線インピーダンスを低減し，電圧安定化やノ Annual Report No. 25, June 2014, NTT Facilities Research Institute　31 ネルギーを蓄えているが，蓄電池にはサイクル充放電に《絶縁型》 ∼ 直流整流装置 48Vなど商用交流 DC-DC コンバータ 12V DC-DC コンバータ 5V DC-DC コンバータ 3.3V， 2.5Vなど負荷よる寿命や大出力充放電に課題があった。電気二重層コ負荷ンデンサ（EDLC: electric double-layer capacitor）はサ負荷（A）従来の給電方式 ∼ 整流装置商用交流《絶縁型》中間 DC-DC 電圧 48Vなどコンバータイクル充放電や大出力充放電に優れた特性があり，この特長を活かして，短時間の充放電は EDLC，長時間の充放電は蓄電池を組み合わせたハイブリッド方式の電源 12V， 5Vなど直流負荷《非絶縁型》 15）回路の提案がなされている。EDLC と蓄電池を双方向 DC-DC コンバータを介して接続し，直流分は蓄電池か DC-DC コンバータ負荷 DC-DC コンバータ負荷している。 DC-DC コンバータ負荷５．電力変換装置 1.8V， 1.5V， 1.2V…など（B）低電圧動作対応の給電方式ら放電，変動分は EDLC で対応するように制御を実現近年，負荷装置である ICT 機器の消費電力がダイナ図４　ICT 装置への給電方式ミックに変化するようになり，電源装置も軽負荷から定イズ低減を実現している。この POL では，低出力電圧，格負荷まで高効率でかつ高速負荷応答が要求される。電大電流出力，高速負荷応答，高効率，低コストなどの要源装置であるスイッチング電源の出力電圧を安定化する求条件を実現するための電力変換回路，およびその制御ための制御回路には，従来はアナログ制御方式（図５（B））が主流であった。デジタル制御方式（図５（C））回路の検討が行われている。近年，無線通信システムの進展に伴い，さまざまなは信号処理で時間遅れが生じ，過渡応答特性を悪化させ機器のモバイル化が進み，電源供給や充電に対してもワる課題があるが，各種設定値を容易に変更できる特長がイヤレス化の期待が高まっている。ワイヤレス給電技術ある。この特長を活かすために，学習機能を使うことではモバイル端末ばかりでなく，ロボットや電気自動車な過渡負荷応答特性を改善する制御方式どの可動機器への展開も検討されている。合わせてスイッチング半導体の駆動タイミングを調整すこの新しい給電形態であるワイヤレス給電には，表１ることで，スイッチング損失を低減する駆動方式 11）に示す３方式がある。 16）や負荷電力に 17）が報告されている。表１　ワイヤレス給電の種類電磁誘導方式共鳴方式電波放射方式電力を送信できる距離数 mm 以下数十 cm 数m 送信できる電力数百 W 以下数百 W 以下数 W 以下周波数数百 kHz 以下電力の利用効率 70〜90％ ∼ ∼ 磁界磁界磁界 PWM Vo PWM 数〜数百 MHz 帯中波〜マイクロ波 40〜60％ LC共振器 LC共振器 LC共振器起電圧起電圧 ∼ 起電圧仕組み制御IC ∼ 磁場 ∼磁場磁場 ∼ かなり低い電波電波電波共振整流共振整流回路回路共振整流回路回路回路回路誤差信号電力変換部制御部（A）一般的なスイッチング電源システム構成 PWM アナログPWM エラーアンプ Vo （B）アナログ制御方式電磁誘導方式は近接した携帯端末などのワイヤレス給電に適用され，無接点充電規格 12）が策定されている。この統一規格を利用し，ポータブル機器内の電力変換回路を双方向コンバータ回路に変更することで，ポータブル機器間の双方向ワイヤレス充電が可能となり，機器間 13）の電力融通が報告されている。 PWM デジタルPWM 制御演算器高速アナログデジタル変換器 Vo （C）デジタル制御方式図５　スイッチング電源の制御方式スイッチング電源を小形化するために，スイッチン一方，電気自動車用などのワイヤレス給電として，数十グ周波数を高周波化すると，パワー MOSFET や整流ダ cm 離れても電力伝送できる共鳴方式の研究開発が活発にイオードのオン・オフ時のスイッチング損失が増すため，行われている。電力変換装置の技術である高周波スイッチこれを低減する回路方式が提案されてきた。これまで，ング技術をワイヤレス給電に応用することで，電力伝送デ共振形変換回路や準共振形変換回路などが報告されてきバイスである複雑なコイルや共振器を必要としない高効率たが，新たに報告された内容として，図６に示す LLC 14）な電磁界共鳴型ワイヤレス給電が報告されている。共振形回路がある。この回路方式は共振に必要なインダハイブリッド自動車や電気自動車などは，蓄電池にエクタンスとして，トランスの漏れインダクタンス（Lr ） 32　年報　NTTファシリティーズ総研レポート　No. 25 2014年6月再生可能エネルギー利用などの分野が広がっている。今 Q1 D1 Lr Vin Co 期待される。〔参考文献〕 D2 Cr 後も，技術開発が加速し，社会要請に応えていくことが − Lm Q2 Ro ＋ Vo １）電子情報通信学会資料，http://www.ieice.org/jpn/about/ gaiyou.html/，2014.4.21 図６　LLC 共振回路の例２）原田耕介：最近における電子通信用電源の技術動向，電と励磁インダクタンス（Lm ）を利用することから，外付けの部品を必要としない利点があり，動作特性解析が 18）多数報告されている。子通信学会誌，pp.1078～1081, 1984.10 ３）原田耕介：電子通信用電源技術・総論，電子通信学会技術研究報告，PE81-1, pp.1～3, 1981.7 ４）電子情報通信学会資料，http://www.ieice.org/cs/ee/ ６．電力用部品 jpn/index.html，2014.4.21 通信用給電システムとして，HVDC 方式が進められているが，現在スイッチング電源で主流の Si（シリコン）パワー半導体は，性能が物性限界に近づいており，低損失化のためのブレイクスルーが求められている。SiC （シリコン・カーバイド）パワー半導体は Si パワー半導５）後川知仁 , 廣瀬圭一 , 雪田和人 , 一柳勝宏 , 奥井芳明：マイクログリッド間における相互電力融通制御，電子情報通信学会技術研究報告，EE2011-38, pp. 41～45, 2012.1 ６）松岡保静 , 関禎徳 , 竹野和彦：グリーン基地局を想定した直流統合制御の一考察，電子情報通信学会技術研究報告，EE2011-20, pp. 11～15, 2011.10 体に置き換わる次世代デバイスとして，その開発および７）古谷崇 , 小宮一公 , 山内隆史 , 竹野和彦：グリーン基地利用の研究開発が進められており，SiC パワー半導体の局試験装置の PV 発電電力特性，電子情報通信学会総合低オン抵抗と高速スイッチング特性を活かし，電力変換 19）効率の向上効果が報告されている。８）山内隆史 , 松岡保静 , 古谷崇 , 小宮一公 , 竹野和彦：基地局バックアップ用燃料電池と蓄電池の動作検証，電子情７．蓄電池報通信学会総合大会予稿集，B-9-6, 2014.3 リチウムイオン電池はその高エネルギー密度からバッ 20） 21）クアップ用，再生可能エネルギーの出力変動補償用，自動車用，宇宙用大会予稿集，B-9-4, 2014.3 22）と幅広く利用されている。９）高橋晶子 , 矢島寛也 , 丸山雅人 , 竹内章 , 山下暢彦 , 松本守彦：通信機械室の冷却効率改善と空調電力削減，電子情報通信学会技術研究報告，EE2013-6, pp. 75～80, 2013.5 10）廣瀬圭一 , 則竹政俊 , 後川知仁 , 三野正人： DC380V 給リチウムイオン電池は高エネルギー密度であることか電の電圧範囲に関する一考察，電子情報通信学会技術研ら，熱暴走や破裂・発火する可能性がある。これらを抑究報告，EE2011-51, pp. 115～120, 2012.1 止するために，使用される電解液に難燃添加剤を加える 23）ことで，電池自体の安全性を確保する報告がある。また，安全性を確保するための電池保護機能，組電池内の各セル電圧を調整する機能，状態を常時監視するための遠隔監視機能を備えたバッテリーマネジメントシステムが報告されている 24，25）。さらに，長寿命化を図るためには，蓄電池の劣化メカニズムを明らかにすることは重要である。蓄電池の容量 11）庄木裕樹：ワイヤレス電力伝送の技術動向・課題と実用化に向けた取り組み，電子情報通信学会技術研究報告， WPT2010-07, pp. 19～24, 2010.7 12）WIRELESS POWER COSOR TIUM ，http://www. wirelesspowerconsor tium.com/jp/about/our-vision. html/，2014.5.2 13）三浦慎平 , 西嶋仁浩 , 佐藤輝被 , 鍋島隆：ポータブル機器間の双方向の非接触充電の検討，電子情報通信学会技術研究報告，EE2012-23, pp. 13～17, 2012.11 劣化として，負極活物質表面上の SEI（solid electrolyte 14）細谷達也 , 大林雄一郎 , 藤原耕二：ループコイルを用い interface）と呼ばれる被膜成長と負極の集電容量減少のた電磁界共鳴型複共振形 ZVS ワイヤレス給電システム視点から，劣化量の変化の規則性を抽出し，構築した劣化モデル式を用いた放電可能な深度についての報告があ 26）る。８．まとめ電子通信エネルギー技術は，通信装置や ICT 装置の進展および地球環境保護や社会インフラにおける情報通信システムの高信頼化に対応するために，電力変換装置の高効率化・小形化に加えて，エネルギーの有効利用やの設計，電子情報通信学会技術研究報告，EE2012-17, pp. 9～14, 2012.10 15）川地光之輔 , 後藤研太 , 梁時熏 , 庄山正仁：双方向 DC-DC コンバータを用いた EDLC と蓄電池によるハイブリッド電源システム，電子情報通信学会技術研究報告， EE2012-53, pp. 147～152, 2013.1 16）元村正志 , 丸田英徳 , 黒川不二雄：機械学習を用いた DC-DC コンバータの過渡特性改善に関する研究，電子情報通信学会技術研究報告，EE2012-14, pp. 87～91, 2012.7 Annual Report No. 25, June 2014, NTT Facilities Research Institute　33 17）細山尚登 , 米澤遊 , 眞鍋厚 , 佐々木智丈 , 松井由信：サー 23）薮田火峰 , 北野利一 , 松下傑 , 辻川知伸 , 荒川正泰 , 林晃バ向け DCDC デジタル電源高効率化のためのデッドタ司：通信用据置リチウムイオン電池の安全性評価，電イム自動切替制御およびデッドタイムテーブル値自動最子情報通信学会技術研究報告，EE2011-37, pp. 37～40, 適化の実現，電子情報通信学会技術研究報告，EE201334, pp. 19～23, 2014.1 2012.1 24）北野利一 , 薮田火峰 , 松下傑 , 辻川知伸 , 磯部武文 , 小 18）本村聖 , 安部征哉 , 川原大輝 , 土本和秀 , 石塚洋一 , 二宮布施俊：大容量据置リチウムイオン電池用マネジメン保 , 庄山正仁 , 加賀雅人：高電圧直流給電システムにおトシステムの開発，電子情報通信学会技術研究報告， EE2011-36, pp. 31～36, 2012.1 ける LLC 電流共振形 DC-DC コンバータの高効率・高パワー密度化について，電子情報通信学会技術研究報告， 25）内藤均 , 川瀬誠 , 小島哲也 , 艸分宏昌：宇宙用リチウムイオン電池の寿命評価，電子情報通信学会技術研究報告， EE2012-43, pp. 87～91, 2013.1 EE2013-53, pp. 27～30, 2014.2 19）舩津龍浩 , 田中哲郎： SiC-BGSIT を用いた部分共振形プッシュプルコンバータの動作特性，電子情報通信学会技 26）中原宏 , 青木智志 , 平田崇人 , 福井正博：リチウムイオン電池の劣化モデルの一考察～ SEI 劣化と負極容量劣術研究報告，EE2013-57, pp. 49～54, 2014.2 20）松下傑 , 辻川知伸 , 薮田火峰 , 荒川正泰 , 林晃司：通信バックアップ用大容量据置リチウムイオン電池の開発，電化を用いた定式化～，電子情報通信学会技術研究報告， EE 2011-54, pp. 13～16, 2012.2 子情報通信学会技術研究報告，EE2011-14, pp. 91～95, 2011.7 おおつ 21）原富太郎：高安全な大形リチウムイオン電池の開発と今後の展望，電子情報通信学会技術研究報告，EE2011-56, pp. 21～26, 2012.2 22）川瀬誠 , 内藤均 , 吉田浩明 , 瀬川全澄：宇宙用大型高性能リチウムイオン電池の試作評価，電子情報通信学会技術研究報告，EE2011-15, pp. 97～100, 2011.7 さとし大津　智　EHS&S 研究センター上級研究員兼オペレーション技術部長電力変換装置，給電システム，燃料電池システムに従事工学博士電子情報通信学会シニア会員，電子通信エネルギー技術研究専門委員会委員長，IEEE シニアメンバ，電気学会上級会員 Synopsis Technology Trends for Electronics and Communications Energy in the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers Satoshi OHTSU Electronics and communications energy technology is discussed focusing on Technical Committee on Energy Engineering in Electronics and Communications. The main themes are an energy system, an electric power system, a power converter, a storage battery, and power device. The main themes of an energy system are power generation technology, such as photovoltaic generation and fuel cell power generation, and energy-saving technologies. The main themes of an electric power system are uninterruptible power source systems, miniaturization, high density, and integration. The main themes of a power converter are DC-DC converters, rectifiers, and inverters. The main themes of a storage battery are high-energy-density, long life, high reliability, maintenance, and management technology. The main themes of devices are power semiconductor devices, magnetic devices, and large-capacity capacitors. This paper introduces each field recent topics. 34　年報　NTTファシリティーズ総研レポート　No. 25 2014年6月